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Bildunterschrift: Die „Lunar Network“-Architektur der NASA kann Navigations- und Kommunikationsdienste in der Nähe des Mondes bereitstellen.

Unser Sonderkorrespondent Chen Yang

Da die neue Runde der Pläne zur Monderkundung und -entwicklung immer beliebter wird, steht auch der Vorschlag zur Einrichtung eines Mondnavigationssystems auf der Tagesordnung. Laut einem Bericht der Hongkonger South China Morning Post vom 14. Juli haben chinesische Wissenschaftler kürzlich einen Designplan zum Aufbau einer Kommunikations- und Navigationskonstellation ähnlich dem Beidou-Navigationssystem vorgeschlagen, die den gesamten Mond bedienen kann. Zuvor hatten die Vereinigten Staaten, Europa und Japan alle ihre eigenen Mondnavigationspläne vorgeschlagen. Was sind also die Herausforderungen beim Aufbau eines Mondnavigationssystems?

Chinesische Wissenschaftler schlagen Mondnavigationsplan vor

Die South China Morning Post zitierte einen im Juni in der Zeitschrift China Space Science and Technology veröffentlichten Artikel mit der Aussage, dass das chinesische Forschungsteam verschiedene Indikatoren in den Bereichen Relaiskommunikation, Mondnavigation, Konstellationsbau und Wartungskosten umfassend berücksichtigt und einen 21 vorgeschlagenen Plan vorgeschlagen habe für eine aus Satelliten bestehende, mondnahe Weltraumnavigationskonstellation mit dem Ziel, eine langfristige, hochpräzise Navigation für langfristige, hochdichte menschliche Erkundungsaktivitäten auf dem Mond bereitzustellen.

„South China Morning Post“ gab an, dass derzeit auf der Erdoberfläche oder im erdnahen Weltraum hauptsächlich das US-amerikanische Global Positioning System (GPS), Chinas Beidou-Satellitennavigationssystem, Europas „Galileo“-Satellitennavigationssystem und Russlands „GLONASS“-Satellit eingesetzt werden Das Navigationssystem bietet Benutzern auf der ganzen Welt wetterunabhängige, hochpräzise Positionierungs- und Navigationsdienste. Diese globalen Satellitennavigationssysteme bestehen in der Regel aus 20–35 Satelliten mit einer Genauigkeit von mehreren Metern. Benutzer können die Signalkombination von mindestens 4 Satelliten nutzen, um genaue Positions- und Zeitinformationen zu erhalten.

Der von chinesischen Wissenschaftlern vorgeschlagene Plan zur Mondoberflächennavigation ähnelt diesem. Für die Navigation müssen mindestens vier Satelliten gleichzeitig für das Ziel sichtbar sein. Dem Bericht zufolge schlägt die Studie auch eine Route zum Bau einer mondnahen Weltraumkonstellation vor, die schrittweise in drei Schritten die Navigation des gesamten Mondes realisieren soll. Das chinesische Forschungsteam erklärte, dass die Folgeforschung die Technologie zur Optimierung der Umlaufbahnparameter kombinieren werde, um eine systematischere Lösung für die Mondnavigation zu schaffen.

In dem Bericht wurde erwähnt, dass das Papier zwar keinen konkreten Bauzeitplan nannte, der vorläufige Plan für Chinas Monderkundungsprojekt und der Plan für die internationale wissenschaftliche Mondforschungsstation jedoch bereits bekannt gegeben wurden: China plant, vor 2030 Astronauten zum Mond zu schicken, und Bis 2035 sollen Astronauten zum Mond geschickt werden. Vor zwei Jahren wurde eine internationale wissenschaftliche Mondforschungsstation mit im Wesentlichen vollständigen Funktionen und grundlegenden Stützelementen gebaut, deren Kern der Mondsüdpol ist. Bis 2045 soll eine erweiterte Version gebaut werden.

Die Vereinigten Staaten, Europa und Japan haben allesamt Mondnavigationspläne vorgeschlagen

In den letzten Jahren ist die Konstruktion mondnaher Weltraumkonstellationen zu einem heißen Thema in der Luft- und Raumfahrtforschung geworden. Da immer mehr Aktivitäten zur Monderkundung und -entwicklung stattfinden, wird immer wieder die Idee vorgeschlagen, ein Mondnavigationssystem einzurichten. Um den Navigationsbedarf des US-amerikanischen bemannten Mondlandeprogramms „Artemis“ zu decken, bestätigten Wissenschaftler des Jet Propulsion Laboratory der National Aeronautics and Space Administration (NASA) im Jahr 2020 nach Berechnungen, dass sich das GPS-Satellitensignal in der Nähe des 380.000 Kilometer entfernten Mondes befand. Es ist weiterhin in der Lage, Dienste bereitzustellen. Es wird gesagt, dass die Raumsonde in der Mondumlaufbahn die Signale von 5-13 GPS-Satelliten empfangen kann und die Positionierungsgenauigkeit zwischen 200 und 300 Metern liegt.

Wenn Sie jedoch groß angelegte Explorations- und Entwicklungsaktivitäten auf der Mondoberfläche durchführen möchten, reicht eine solche Positionierungsgenauigkeit bei weitem nicht aus. Ein Bericht der Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) zeigt, dass die Signalstärke eines globalen Satellitennavigationssystems, das in der Nähe der Erde in der Nähe des 380.000 Kilometer entfernten Mondes betrieben wird, nur 1/30 der Bodensignalstärke beträgt und aufgrund der Behinderung des Mond selbst. Diese Navigationssignale können von der anderen Seite des Mondes nicht empfangen werden. Gleichzeitig ist die Mondoberfläche mit Kratern bedeckt und schwache Navigationssignale von der Erde werden leicht durch Hügel und Kraterränder blockiert. Daher sind spezielle Relais-Kommunikationssatelliten zur Unterstützung erforderlich. China verfügt bereits über erfolgreiche Erfahrungen bei der Weiterleitung der Mondkommunikation. Die in den Jahren 2018 und 2024 gestarteten Satelliten Queqiao-1 und Queqiao-2 haben die Weiterleitung der Kommunikation für mehrere Monderkundungsmissionen bereitgestellt.

Im Jahr 2020 schlug die NASA die „Lunar Network“-Architektur zur Unterstützung des „Artemis“-Programms vor, die den Kommunikationsbedarf zwischen Astronauten und Raumfahrzeugen auf und in der Nähe der Mondoberfläche decken kann und es Astronauten und Rovern auch ermöglicht, auf der Mondoberfläche zu kommunizieren Mondoberfläche, um Positions- und Zeitinformationen zu erhalten. Aus diesem Grund hat die NASA im Januar 2022 das „Lunar Communication Relay and Navigation System“ ins Leben gerufen und plant den Start mehrerer Satelliten, die in der Mondumlaufbahn operieren. Am 28. Juni 2022 wurde die US-Sonde „Capstone“ gestartet. Die mikrowellengroße Sonde gilt als „der weltweit erste Mondnavigationssatellit“ und eine ihrer Missionen besteht darin, neue Navigationstechnologien zu verifizieren und zu testen, um das Risiko zukünftiger Missionen zu verringern.

Europa treibt auch Pläne für Mondkommunikationsdienste voran. Im Jahr 2021 veröffentlichte die Europäische Weltraumorganisation (ESA) den „Moonlight“-Plan, der den Aufbau eines nachhaltigen gemeinsamen Mondkommunikations- und Navigationssystems (LCNS) um 2027 vorschlägt, und plant den Start des ersten „Lunar Pathfinder“ im Jahr 2025. Der Satellit führt technische Untersuchungen durch Verifizierung in einer elliptischen gefrorenen Umlaufbahn.

Im Jahr 2022 schlug die japanische JAXA außerdem das „Lunar Navigation Satellite System (LNSS)“ vor, das den Einsatz von acht Satelliten in der elliptischen Mondumlaufbahn vorsieht, um Relaiskommunikation sowie Navigations- und Positionierungsdienste für Detektoren in der Mondsüdpolregion bereitzustellen.

Es ist nicht einfach, ein Mondnavigationssystem zu bauen

Obwohl es bereits vier große globale Navigations- und Positionierungssysteme in Erdnähe gibt, ist es nicht einfach, sie auf die Mondoberfläche zu „verlegen“. Laut der NASA-Website ist das erste, was den Aufbau des Mondnavigationssystems beeinflusst, die Frage der Mondzeit. Neueste Berechnungen der NASA zeigen, dass nach dem „Zeitdilatationseffekt“ der Relativitätstheorie im Vergleich zur Zeit auf der Erdoberfläche die Zeit auf der Mondoberfläche pro Erdentag um 57,5 ​​Mikrosekunden schneller ist, und sogar die Zeit auf der Mondoberfläche ist anders als in der Mondbahn. Wenn man bedenkt, dass die Zeitgenauigkeit des globalen Navigations- und Positionierungssystems den Mikrosekundenbereich erreicht hat, kann dieser Einfluss der Mondzeit nicht ignoriert werden. Und der Mond hat derzeit keinen unabhängigen Zeitstandard. Das Monderkundungsprogramm jedes Landes verwendet seine eigene Zeitskala und rechnet diese in die „koordinierte Weltzeit“ um. Mit der zunehmenden Zahl von Aktivitäten zur Monderkundung wird jedoch das Problem inkonsistenter Mondzeitstandards immer ernster. Im November 2022 trafen sich Vertreter globaler Weltraumagenturen und akademischer Organisationen im Europäischen Weltraumforschungs- und Technologiezentrum der Europäischen Weltraumorganisation, um Empfehlungen zur Definition der Mondzeit auszuarbeiten. Patrizia Tavera, Direktorin der Zeitabteilung des Internationalen Büros für Maß und Gewicht, sagte, dass nationale Raumfahrtbehörden und private Unternehmen nach ihren eigenen Plänen handeln würden, wenn keine offizielle Mondzeit festgelegt werde.

Zweitens gab die NASA an, dass die vier wichtigsten globalen Navigations- und Positionierungssysteme auf dem Global Geodetic Observing System (GGOS) basieren. Nur über dieses können einheitliche und koordinierte Koordinaten und Höhen der Erdoberfläche ermittelt werden. Derzeit gibt es jedoch kein ähnliches geografisches Koordinatensystem auf der Mondoberfläche‌. Die US-amerikanische National Geospatial-Intelligence Agency (NGA) treibt entsprechende Messarbeiten voran und richtet ein „Lunar Reference System (LRS)“ ein, dafür sind jedoch große Mengen an Beobachtungsdaten erforderlich. Die NASA gab zu, dass sie nicht damit rechnet, dass es in naher Zukunft eine Rolle im Artemis-Programm spielen wird.

Darüber hinaus wird die konkrete Umsetzung des Mondnavigationsplans auch von der Form und Masse des Mondes selbst beeinflusst. Beispielsweise nimmt der Relaisstern Queqiao-2 eine große elliptische, eingefrorene Umlaufbahn um den Mond als Missionsbahn ein. Aufgrund der unregelmäßigen Form und Struktur des Mondes werden Raumfahrzeuge, die in der Nähe des Mondes fliegen, durch Faktoren wie die Schwerkraft des Mondes beeinflusst. und ihre Flugbahnen sind anfällig für Abweichungen.

Es ist erwähnenswert, dass die Mondnavigationsprogramme der Vereinigten Staaten, Europas und Japans planen, durch gegenseitige Zusammenarbeit verbesserte Mondnavigationsdienste bereitzustellen und internationale Standards zu entwickeln. Die Vereinigten Staaten und Europa werden ab 2024 außerdem damit beginnen, die Verwendung schwacher Satellitennavigationssignale, die von Erdsonden ausgesendet werden, zur Berechnung von Positionen auf dem Mond zu testen. ▲